Digital Correlator in 0.15µm CMOS

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Konzeption und dem Entwurf einer digitalen Korrelatorschaltung für Entfernungsmessungen mit Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs). SPADs sind moderne Bauteile welche eine sonst unerreichte Empfindlichkeit als Licht Detektoren aufweisen. Die Schaltung ist für einen 0,15m Komplementär-symmetrischer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Prozess von LFoundry entworfen. Zu Beginn wird ein Überblick über die Grundlagen von SPADs und die verschiedenen Konzepte der optischen Distanzmessung gegeben. Anschließend wird die Funktionalität der benötigten Schaltung spezifiziert. Die grundlegenden Schritte und Konzepte die benötigt werden um eine digitale Schaltung eben dieser Funktionalität mittels moderner Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme (EDA) Werkzeuge zu implementieren, werden erklärt. Dem anschließend wird die Entwicklung der benötigten analogen und asynchronen Schaltungsblöcke erklärt und alle Blöcke werden zur kompletten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) kombiniert. Am Ende werden Ergebnisse der analogen post-Layout Simulation präsentiert, welche der Verifikation und Charakterisierung des ASICs dienen bevor dieser produziert wird.

This thesis is about the conception and design of a digital correlation circuit used for distance measurement experiments with single photon avalanche diodes (SPADs). SPADs are emerging devices that have an unmatched sensitivity as light detectors. The circuit is designed for a 0.15m complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process provided by LFoundry. In the beginning an overview of the fundamentals of SPAD devices and the different concepts of optical range measurements is given. Following, the functionality of the needed electronic circuit is specified. The fundamental steps and concepts needed, to implement and to simulate the digital circuit featuring that functionality using modern electric design automation (EDA) tools are explained. Subsequently, the design of the needed analog and asynchronous building blocks is discusses and combined with the digital parts to the whole application-specific integrated circuit (ASIC). Finally, results of post-layout simulations of the design are shown, which are used for verification and characterization before the ASIC enters manufacturing.